深度学习中数字技术的角色

[美]克里斯·迪德/著余福海/编译

（1.美国哈佛大学 教育研究生院； 2.北京大学 历史学系，北京 100871）

深度学习中数字技术的角色

[美]克里斯·迪德1/著余福海2/编译

（1.美国哈佛大学 教育研究生院； 2.北京大学 历史学系，北京 100871）

引导学习者进行深度学习是美国社会对人才培养的普遍要求。只有使用技术，才能辅助教师进行深度教学。为实现深度教学，可从数字化教学平台和虚拟现实两个角度优化教学策略。未来几年推动深度教学，有三个主要优先事项：一是专注于缩小学生的“数字鸿沟”；二是推动教师专业发展，促进数字工具的有效使用；三是增加研究与开发的投资。

深度学习；教育技术；教学设计；优先事项

一、导论

美国在一个世纪前发明了一种新的教学模式：学生们被按照年龄分类，放到班额大小一样的班级中去，被施以相同的指令，间隔一段固定时间就进行考试。只要通过了考试的最低分数线，学生们就会升入一个更高的年级，再次经受同样的事情。在这种逻辑中，对于普通学生来说，深入学习（如表1）是没有必要的。但是，如果今天的目标是帮助所有的学生，而不是让少数的精英达到满足他们雄心壮志的标准，那么学校该如何改变？什么样的准则才会成为普遍的准则呢？

表1 深入学习的三个维度

我认为，我们今天需要的是新的教学策略，采用诸如协作调查、扩展查询、学徒制、跨学科的项目以及讨论辩论的教学方法，可以将学习科目和个人兴趣联系起来，以面对层出不穷的现实问题（如表2）。

表2 为什么在学校使用技术？

如果学校能够有效地大规模提供这种形式的教学，他们将需要一个新的技术基础设施。新的工具和媒体可能会更有助于有许多需要的教师更好地完成这些教学。

教师并非必须使用教育技术，但是现实中有很多教师如果没有相关工具，就会很难从工业风格的教学转入到更深入的学习过程。我认为造成这一情况的原因有两个：一是承受能力和规模。采用原来劳动密集型的模型进行人才培养，会导致培养成本过高。二是学生的学习优势和偏好。因为多媒体的使用，塑造了他们的学习优势与喜好。因此，转变到基于技术的、以深度学习为主导的模式是非常必要的。新的技术正在促进更有深度的学习。

二、重新设计学习：两种行之有效的策略

利用技术将传统事情做得更好和利用技术去做更好的事情之间，有重要的差别。技术在教学上真正的价值在于以新的方式反思学校的教育，这可以开启强大的学习机会，更好地利用21世纪世界的现有资源。首先，做得更好就意味着要让学生更加适应全球化的，以知识为基础、以创新为中心的文明所带来的机遇和挑战。

我和费什曼认为，技术作为催化剂，只有当其用于具有更丰富的内容、更强大的教学法、更有效评估的学习中时才是有效的，并且技术要能够连接课堂内外的学习。我们深入研究的技术有：1.协作工具，包括web 2.0 技术和支持知识构建的工具；2.在线、混合式的教育环境，这些环境被越来越多地用来扩大教育通道，但也有可能改变我们设想的教学和学习的方式；3.作为决策者和创造者的工具支持学习者，它立足于帮助学生成为计算机程序员，而不是成为它们的用户；4.身临其境的媒介，这些媒介创造了学习所处的虚拟世界，或利用计算信息的表示层增强了真实世界的体验；5.游戏和模拟，旨在提高学生的动机和参与性。

下述的这两种方法——利用数字化教学平台和身临其境的真实模拟——已通过大量实证研究，验证了其实用性和有效性，国家教育技术计划也认定它们是特别有前途的。

（一）数字化教学平台

数字化教学平台（DTP）是一种新的课堂学习基础设施，由先进的理论基础、实证研究和一对一的云计算项目作为支持，其成为课程内容的理想载体。数字化教学平台主要用于教师为主导的课堂，并作为基本教学环境来发挥作用。它不能代替教师或控制他们的工作。费什曼和我证明，对于教育技术的关注焦点已从人工智能适当转向（用技术辅助性地）增强教师和学生的智力上。技术作为一种催化剂，只有当其用于具有更丰富的内容、更强大的教学法、更有效的评估的学习中并且连接了课堂内外的学习时，它才是有效的。

数字化教学平台可以让教师在传统教室中使用四种教学策略，这些教学策略是非典型的，但可以引导更深层次的学习：案例式学习通过分析现实世界的情况，有助于学生掌握抽象的原则和技巧；多样化的概念表示提供了不同的解释复杂事物的方式，展示了相同的基本观念的不同描述；合作学习使一个团队能够将其知识和技能结合起来，并理解复杂的现象；诊断性评估被嵌入到学习过程中，成为进一步学习和教学的形式。

数字化教学平台提供一种混合式的学习模式，一般有三大功能。首先，它是一种网络数字门户网站，包括提供给教师和学生的交互界面。教师使用数字化教学平台的管理工具为学生创建课程和作业，并管理和评价学生的作业。这些工具中的专门的评估工具，可让教师创建测试和其他类型的测量工具。针对教师的应用（Apps）对学生的进步和他们的矫正需求提供及时的报告，针对学生的应用（Apps）可让学生完成任务，进行自我评估。更重要的是，这些工具可辅助个人或团队工作：一些学生能独立完成个人作业，而其他人可协同完成共同的作业。其次，它提供数字化的教学、课程和作业。最后，数字化教学平台支持在课堂上进行实时的、有老师指导的交互。总之，数字化教学平台是一个助理，适用于老师可能希望实现的所有类型的教学活动，它们包括：

1.数字化教学平台技术支持更深层次的学习方式

选择下述三个例子——基于网络的探究科学环境（WISE，例1）、ASSISTments（例2）、SimCalc（例3）有几个原因：它们都由国家大量投资，并进行了长期实践研究；它们都被证明有有效性和实用性；它们都符合深度学习的原则。

2.利用数字化教学平台促进知识整合

在强调知识整合的课堂上，教师可请学生分享自己的新思想和理论，帮助他们发现自己的知识缺口，并让他们用新思维来解决紧迫问题。WISE使用基于案例的合作学习支持学生的知识整合。在这个系统中，学生对多种表现方式进行解释，这些解释会通过嵌入式诊断进行评估，其目的是对学生在四个方面进行知识整合：激发思想，增加思想，区分思想，整理思路。例如，在使用WISE的课堂上，老师可能首先要求学生预测特定化学反应事件的顺序，然后让他们分别对化学物质进行虚拟实验，用计算机模拟实验室将发生的事情。WISE可以让学生插入任何数量的实验条件和变量，让他们尝试多种约束条件下的实验，并观察和比较不同结果出现的概率。老师会让学生基于新的信息重新评估这个最初的预测，并讨论他们对于给定的化学过程的改进建议。最后，老师可能会分配学生梳理和阐明他们确切的想法。WISE有系统内置的评估和评分标准，要求学生对自己的想法进行关联、联系和辨别，并提供证据来支持他们的主张。因此，完成一个虚拟的化学实验后，学生可能必须解释为什么他们得到了所做的结果，评论他们自己的实验设计，并预测他们的想法如何适用于新的情况。

总之，例如WISE的例子，数字化教学平台都有特定功能，支持知识整合：它们提供视觉表达，学生可使用其学习的新概念，并展示自己的想法，可操纵这些视觉元素来查看其他对比性的想法是如何表达的。数字化教学平台上，学生可以通过数字画廊存储、修改、发布和分享他们的工作，邀请多人或少人小组讨论他们的想法。老师可在数字化教学平台上使用嵌入式评估，快速检查学生工作。该评估是一种真正的诊断，可揭示出学生的理解程度和他们还没学会的内容。

3.利用数字化教学平台进行个性化教学

数字化教学平台可帮助教师适应学生个体需求。掌握这个学习方法的一个主要挑战是保持记录量达到需求。教师要跟踪学生掌握了哪些技能，而哪些技能给他们带来了麻烦，哪些技能是他们必须要学的，以便进行新单元学习。ASSISTments维护大部分此类记录，为教师个性化教学提供了新的工具。ASSISTments的辅导系统提供持续的报告，记录了学生们正在努力掌握的那些技能。教师可及时采取行动，提供支持。在个性化教学上，ASSISTments是比仅仅跟踪学生进步的“学习管理系统”更有效的平台。

4.利用数字化教学平台促进协作学习

数字化教学平台能为协作学习提供强大支持。例如，SimCalc—— 一个知名的、包含很多数学课程的系统，在整个课堂的讨论中发挥了作用。由于可以在一个网络化的教室中迅速掌握学生的想法和作业的数据，老师有机会引导每个人关注具体的参与者和他们的贡献。例如，使用SimCalc的水底世界（Fishy World）时，每个学生“成为”一个特别的“鱼”，学习相关图示和符号函数是如何与自己和他人的“动作”联系起来的。为唤起学生对某一特定数学概念的关注，教师可以冻结每个学生的SimCalc环境，暂停团队讨论模拟。教师也可显示或隐藏每个学生的贡献，以便有不同类型的讨论。在SimCalc课堂上，大多数教学都是基于学生从自己的电脑屏幕上动态展示中所学到的东西，由老师推动学生讨论。这些数学对话中，课堂上几乎所有的人都高度参与其中，有效促进了对数学公式和定理背后原因的深刻理解。这种形式的合作讨论和辩论——由技术激发并基于技术——为学生学习数学做了很好的铺垫。

如SimCalc所示，数字化教学平台有许多功能，便于教师管理大型团队研讨和合作对话，使用多样化的表示手段，这两者都是深度学习的重要方面。

5.数字化教学平台的演变

我们仍然缺少一个集成的系统，可动态地执行所有这些功能，同时为所有学习者优化参与和学习过程。这一系统应能够发现适当的学习资源，以适合学习者年龄、语言、阅读能力和先验知识的表现形式配置学习资源，并选择合适的路径和平台，让学习者在相对应水平的学习辅助资料中畅游。这是实施个人化、差异化、个性化的学习必不可少的。数字化教学平台是实现这一愿景的重要一步。

上面的例子说明了教学是如何与数学、科学和技术相联系的。将工程学添加进来是不难的。但是数字化教学平台系统可扩展覆盖艺术、社会科学和人文科学到哪种程度是不确定的，部分原因是学习技术的资金都集中在STEM领域。因此，增加非STEM领域研究开发的资金投入是很重要的。

必须强调，教师的作用仍至关重要，因为今天以及可预见的未来，数字技术不会有需要提供深度学习所需的复杂类型的教学和评估的复杂性，特别是在学科领域，没有几个关于问题的有限“正确答案”。

（二）身临其境的真实模拟

第二种类型的深度学习技术“虚拟世界和增强现实”为实现规模化的实习/学徒模式提供了可能，让所有的学生不用离开教室就可以体验模拟实习。

教育技术可通过感官刺激为学生创造强大的身临其境的体验，通过运用各种叙事手法和象征符号打造生动逼真、引人入胜的虚拟数字环境。以下两种身临其境的媒介都可促进越来越多的正式和非正式学习：1.多用户虚拟环境（或“虚拟世界”）提供一个丰富的环境，在这个环境中，参与者可以与数字对象和工具进行交互，如历史照片或虚拟显微镜。2.增强现实可以使学生通过移动无线设备与叠加在现实世界的物理景观上的虚拟信息、可视化模型进行模拟互动。

通过让学生进行真实可信的模拟，虚拟世界和增强现实技术推动了两种课堂实践方式的发展，这些实践方式很少能在传统的学校和教室中看到。1.以学徒制为基础的学习设计，让技术工具扮演现实世界中导师的角色，使学习者逐步掌握知识和技能。2.迁移性学习，强调的是将掌握的知识运用于生活中，而不是简单地在课堂上使用。虚拟世界和增强现实技术也可以提供丰富的跨学科和体验式学习类型。所有身临其境的真实模拟的深度学习能力，都是为了在课堂和学校以外的地方有效发挥作用。以下是对虚拟世界和增强现实技术的具体说明。

1.虚拟世界（MUVEs）

过去几年里，我和我的同事们已经设计和研究了科学教育的媒介，学生可以在虚拟生态系统（EcoMUVE）中遨游，也可以引导他们通过在现实世界中的相关活动增强现实体验（EcoMOBILE）。

2.虚拟生态系统（EcoMUVE）的有效性和实用性

有效性评估包括学生在科学中的参与程度和自我效能感，而认知评估则集中于考查学生对生态系统科学的具体概念的理解程度、进行合作探究的能力和对复杂因果关系的理解程度。这些考查内容都是虚拟生态系统的特征。作为一个身临其境的真实模拟系统，虚拟生态系统（EcoMUVE）具有实用性和有效性，为改善课堂学习和学习动机增加了新的维度。

访谈发现，教师觉得EcoMUVE是有可操作性的，因其具有对学生友好的、个性化定制的课程，在线的资料，适当时长的学习；唯一例外的是，有些教师注意到为学生提供技术上的一对一的解决方案是困难的。总体而言，他们的课程标准是一致的，并支持学生参与所学习的科学内容、复杂的因果关系和调查。一些教师认为，学习复杂的因果关系是课程中最强大的一部分。使用身临其境的真实模拟系统，对非STEM部分的课程也很有用。一些教育游戏借鉴了“虚拟世界”的设计理念，对促进学生学习有积极效果。不过迄今为止的证据并不支持这些游戏在课堂上的使用，这是因为在大多数学校，玩游戏往往是简短的，多人互动、连续性学习和扩展性参与是低“剂量”的。假设教师给更多时间并更积极地进行监督，这些游戏将对学习有更显著影响。

3.增强现实

为EcoMUVE补充设计的EcoMOBILE项目和数据集“probeware”的使用说明了增强现实技术运用于教育领域的潜力。EcoMOBILE课程是一个EcoMUVE学习经验和数字工具使用的混合体，通过一个为期三天的项目来增加学生的实际活动，已实地测试成功。

4.增强现实技术的有效性和实用性

评估表明，在高度融入EcoMOBILE技术的教学环境中，可以支持学生在科学课上学到更多知识。在此之前，科学课的实地考察没有技术支持，限制了教师们的教学内容。使用EcoMOBILE技术来教学深度学习则有多个好处，这些好处与EcoMUVE中讨论的好处是同时存在的。EcoMOBILE增加了现实世界的复杂性（例如，数据值的变化取决于测量仪器的位置，以及如何收集样品）。

结合增强现实技术的学习促进了学生与生态系统的互动，也促进了学生之间的互动。增强现实与虚拟世界的结合有很大潜力，可帮助学生整合科学、数学和技术的学习，把他们在课堂上学到的东西转移到真实世界的情境中。

5.身临其境的真实模拟的演变

这种身临其境的媒介可以用在一些推动深度学习的方法中，如促进案例教学、模拟实习、协作活动和科学探究能力的发展，包括提供保证的具体项目的数据收集和分析。这些方法都有很大好处，混合使用这些方法更有助于深度学习。当然，沉浸式媒介可能有助于实现高质量的教育评估。为此，教育工作者需要新的评估工具和分析方法：（1）捕捉探索路径。对学生对于科学探究的理解的重要预测是，他在探索一个虚拟世界时如何选择路径才能使他能够确定事情的前因后果、识别异常情况，并收集相关数据来进行异常原因的假设分析。（2）分析指导系统的使用。学生使用“帮助”或“提示”功能的数据会形成一个模拟过程，比如他们第一次选择指导的时间、他们所浏览的信息，当他们做这些事情的时候处于模拟系统的哪个地方，他们随后采取了什么行动——可以作为诊断信息，就可以发现学生在哪些主题和技能上有困惑。（3）与动画教学代理互动。APAs（三维运动解析系统）具备“栩栩如生的自主个人”属性，这些特性为学生创造了“丰富的、面对面互动”的学习环境。通常情况下，随着时间的推移，学生学会提问题，这些问题引导APAs为他们提供新信息，帮助他们完成他们在模拟中分配到的工作任务。在这个过程中，APAs为学生收集知识和收集证据的方法创建记录，还可以编辑形成其他诊断信息。（4）在类似的设置中记录进度和知识迁移过程。一旦学生完成了模拟，教师可以将他们引入到一个类似的但不完全相同的模拟中，以评估他们将第一个活动中所学内容应用到第二个活动上的能力。此外，通过关注他们从一个环境迁移知识到另一个环境的方式，教师可以帮助学生综合他们所学的知识，看怎样的具体课程能引导他们获得更广泛的理解。（5）通过成就获得“权力”。就像在游戏中升级一样，学生可以通过达到一个门槛的经验和成就获得新的权力。这些新的能力记载团队成就，促进参与、促进学习，并为互相评估提供额外机会。与深度学习的原则相一致，所有这些类型的评估都是基于丰富的模拟环境中的真实行动。发展更先进的评估对深度学习是必要的，技术提供了一个强大的工具来实现这一需求。虚拟世界是一个简单化了的现实世界的模型，为了让学习者产生对现实世界复杂性的真实体验，还引入了迷思的理念。增强现实也可帮助实现这一目的，但它增加学生在每个领域的学术积累，也许很难。实习和学徒经历提供了任何技术都不能复制的经验（如与导师面对面接触）。为实现深层学习，使用技术扩展和授权更好的教学和学习，而不是取代老师，这是至关重要的。

三、挑战和建议

政策制定者们已看到了有技术支持的教学和学习模式的巨大潜力，我建议未来主要有三个优先事项：

（一）专注于缩小学生的成就差距

数字工具设计师，最重要的目标是确保所有的孩子都有强大的教育资源，而且可以按需定制。“数字鸿沟”将持续到可预见的未来。然而，越来越多生活在贫困的社区的儿童有强大的移动设备，这使他们及其教师充分利用本文介绍的所有的深度学习机会。对“学习的通用设计（UDL）”这一概念而言，公平的数据获取权限是最基本的承诺，这已经在教育技术领域受到广泛支持。总之，UDL是一套强调数字工具创造性的共享原则，可以通过定制来服务一系列用户。具体来说，UDL呼吁其追随者：1.提供表达信息的多个灵活的方法，包括数字图书、专门的软件和网站，文本到语音的应用程序和屏幕阅读器。2.为学生提供多种灵活的表达方式，有选择地展示他们所学的知识，实例包括在线概念的映射和文本—语音的转换程序。

我们所有人都可以从适当的方法和媒介中受益。这并不是说每个人都面临着一个同样、同等的挑战，但是学习者可能需要不同程度的支持，给予有效的、个性定制的工具，例如数字化教学平台和身临其境的真实模拟，大家都可进行深度学习。

（二）推动教师专业发展，促进数字工具的有效使用

任何技术支持的资源运用的有效性最终取决于相关教育工作者的能力。技术本身并不是创新，技术只是一种工具。它可使人们改变教育的结构和教育信息传递的方式。然而，这需要与教师的专业发展相配合。教育工作者不仅要学习新的内容和技能，同时要“忘却”原有的关于教学、学习和教育的信念和假设；否则，这些数字工具会出现问题。总之，学习使用程序可能需要的不仅仅是知识和技术支持，还需要努力重新思考关于教学的基本思路。我们应给教育工作者同时利用数字化教学平台和身临其境的模拟系统的职业发展机会，展示我们希望他们提供给学生的机会。

（三）增加研究与开发投资

首先，在数字技术等技术真正实用、让人负担得起并可扩展之前，将需要更大的和更有针对性的研究和发展的资金。目前，研究所最突出的需要是旨在产生技术增强教学的“有用的知识”。这一动机不仅是出于求知欲，也是出于在实践和政策上解决持续性问题的愿望（斯托克斯，1997）。如今最重要的工作重点是建立高质量的教学工具，并帮助教育者掌握这些工具的价值，找出好的工具，并明智地进行投资。

其次，创造和分享有用知识的过程可以通过社区的研究人员、从业人员和决策者来完成。为发展和投资推动深层教学的教学工具，我们需要一个多维视角，它涉及学术、人际关系和内心能力等方面，它是年轻人获得长期成功的重要条件。这种工作需要一个团队的努力并结合几个领域的多种研究方法和知识整合——从认知心理学到教师发展，再到课程研究、教育技术。

再次，我们并不认为一种教育技术普遍“有效”，它的研究应关注——为谁、什么时候、在什么情况下工作。没有任何单一的教学方法对所有主题和每个学生都是最佳的。对深度学习新技术进行投资的最好方法是，首先承认上下文指出的问题，而工具又必须有足够灵活性服务于学校、教师、学生、课程及其文化。

总之，这些工具的设计与当地的情况相适应。虚拟教学工具的成功实施、使用和传播往往取决于它们在地方一级的改革进程。在这一点上，转化为深度学习教育系统的主要障碍不是概念、技术或经济，而是心理、政治和文化。我们做的最危险的实验是保持当前的学校教育体系不变。随着时间的推移，我们对于人才的社会需求和工业时代的教育模式所能提供的学习内容之间的脱节会扩大，最终将导致严重后果。

资料来源：这篇文章发表于2014年9月，是内利美教育基金会（Nellie Mae Education Foundation）资助的“面向未来的工作”（Jobs for the future）项目委托研究的成果。美国教育科学研究院（Institute of Education Sciences）全文收录，提供全文下载（http：// eric.ed.gov/?id=ED561254）。本文编译时有删节。

（责任编辑 杜丹丹）

The Role of Digital Technology in Deep Learning

Author：Chris Dede1Compiler：YU Fuhai2
(1.Graduate School of Education,Harvard University,the United States; 2.Department of History,Peking University,Beijing,China 100871)

It is a common requirement of American society to guide learners to do deep learning for personnel training.Only by using technology can we assist teachers to do deep teaching. In order to achieve the aim of deep teaching,teaching strategies can be optimized from two perspectives,namely,the digital teaching platform and virtual reality.There are three main priorities for promoting deep teaching in the next several years：first,focus on narrowing the "digital divide" among students;second,promote the professional development of teachers and the effective use of digital tools;finally,increase the investment in research and development.

deep learning;educational technology;instructional design;priorities

G40-057

A

2096-0069（2016）04-0087-06

2016-05-05

作者/译者简介：克里斯·迪德(Chris Dede)教授现为哈佛大学教育研究生院教育技术、教育创新与教育学系教授，他1972年毕业于马萨诸塞大学，获教育学博士学位；余福海（1992— ），男，河南宁陵人，北京大学历史学系硕士研究生，主要研究教育与社会变革、社会史。